автореферат диссертации по технологии продовольственных продуктов, 05.18.12, диссертация на тему:Исследование процесса объемного дозирования жидких пищевых продуктов в дозаторах поршневого типа

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ ПРОБЛЕМЫ ФАСОВАНИЯ ЖИДКИХ ПРОДУКТОВ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1. Анализ современного состояния ассортимента фасуемых продуктов.

1.2. Анализ оборудования, применяемого для фасования жидких вязких продуктов в пищевой промышленности.

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА ДОЗАТОРА С СОВМЕЩЕННЫМ

ПРИВОДОМ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЕЙ И ПОРШНЕЙ.

2.1. Дозатор с совмещенным приводом распределителей и поршней.

2.2. Разработка и классификация дозаторов с совмещенным приводом.

2.3. Разработка системы управления работой дозатора.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ДОЗАТОРОВ С ЦИЛИНДРИЧЕСКИМ

ЗОЛОТНИКОМ.

3.1. Исследование процесса течения продукта в каналах дозатора в режиме длительной остановки.

3.2. Исследование течения и точности отмеривания порции продукта мерным цилиндром дозатора.

3.3. Исследования течения в каналах дозатора в процессе вытеснения и точность наполнения тары.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕЛИТЕЛЯ

ПОТОКА.

4.1. Исследование возможности деления потока продукта на равные части.

4.2. Исследование процесса движения жидкости в каналах делителя потока.

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ДОЗАТОРОВ С СОВМЕЩЕННЫМ ПРИВОДОМ.

5.1. Описание экспериментальной установки.

5.2. Программа экспериментальных исследований.

5.3. Методика проведения эксперимента.

5.4. Обработка результатов эксперимента дозатора с цилиндрическим золотником.

5.5. Экспериментальные исследования дозатора с плоским золотником.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

Многообразие пищевых продуктов с различными химическими и физико-механическими характеристиками, разработанных в течение последних 10—15 лет, большое различие их вкусовых и питательных свойств, разнообразие видов их упаковки, сроков и условий хранения, обусловленное особенностями продуктов и требованиями конъюнктуры рынка, вызывает необходимость выпуска фасовочно-дозирующего оборудования различного назначения.

Жидкие пищевые продукты, характеризующиеся хорошей текучестью, обычно не вызывают трудностей при фасовании, поскольку они не налипают на стенки каналов и мерных емкостей. Однако, по мере увеличения вязкости продукта подобные явления проявляются все в большей степени.

Исследование дозирующих машин, применяемых для фасования вязких жидких продуктов в тару /1, 2, 11, 12, 17/, показало, что для подобного вида продуктов необходимо использовать дозаторы, работающие по объемному принципу, способные осуществлять принудительный набор продукта в мерную емкость дозатора, т.е. всасывание, и также принудительное выдавливание продукта из мерной емкости в тару.

В пищевой промышленности широкое распространение получили шнековые, плунжерные и поршневые дозаторы /12/, но для фасования вязких продуктов обычно применяются поршневые дозаторы, как наиболее отвечающие требованиям, предъявляемым к фасованию вязких пищевых продуктов.

Нельзя не заметить, что все существующие поршневые дозаторы двухприводные. Один привод необходим для придания поршню возвратно-поступательного движения, а другой - для приведения в действие отсекателя потока (золотника, заслонки или какой либо другого механизма, выполняющего функцию закрытия-открытия каналов подачи продукта в мерный цилиндр и выпуска из него продукта в тару). Понятно, что стоимость каждого привода входит в стоимость дозатора и, в конечном итоге, отражается на цене фасуемого продукта. Кроме того, конструкция таких машин довольно сложна, а, следовательно, увеличиваются и эксплуатационные затраты /11/.

Существует также способ приведения в действие поршня и отсекателя потока посредством одного привода, с применением при этом системы рычагов, или иных механизмов /12/. Однако, подобное решение также существенно усложняет конструкцию дозатора, снижает надежность его работы и увеличивает эксплуатационные затраты на обслуживание.

При фасовании пищевых продуктов, имеющих в своем составе абразивные включения (майонез, кетчуп и т.д.), либо продуктов содержащих крупные частицы (орехи, изюм, частицы фруктов) часто возникает проблема выбора дозирующего оборудования вследствие повышенного износа тех его поверхностей, между которыми происходит перетирание частиц продукта (что происходит главным образом в клапанах и уплотнениях дозатора). В связи с этим актуальна задача разработки дозаторов лишенных подобных недостатков.

Целью настоящей работы является разработка научно-обоснованной методики расчета дозаторов с совмещенным приводом распределителей и поршней, позволяющей целенаправленно рассчитывать их конструктивные параметры, определить области их применения и допустимые режимы работы. Также подвергается исследованию возможность увеличения производительности дозаторов посредством установки делителя потока.

Для решения поставленных целей в работе необходимо было решить следующие задачи:

- Разработать физическую модель течения жидких продуктов в каналах дозаторов с совмещенным приводом

- Разработать и изготовить экспериментальные стенды для исследования процессов дозирования жидких продуктов и закономерностей их течения в каналах рассматриваемых дозаторов.

- Разработать различные варианты делителей потока и исследовать процессы течения жидких сред в их каналах.

Научная новизна проведенных исследований заключается в следующем:

- Рассмотрены физико-механические и структурные свойства пищевых продуктов, влияющие на ход процесса дозирования, точность работы дозаторов и качество фасуемого продукта;

- Составлены математические модели течения продукта в каналах дозатора, позволяющие описать течение жидкой среды в кольцевых зазорах дозаторов в разных режимах их работы, а также позволяющие определить потери продукта, влияние конструктивных параметров на точностные характеристики процесса дозирования;

Практическая ценность и реализация результатов работы:

- На основе сделанных предложений разработаны различные варианты исполнения дозатора, наиболее всего подходящие для фасования пищевых продуктов с различными физико-механическими свойствами;

- Определены конструктивные особенности дозаторов наиболее всего отвечающие требованию минимизации износа трущихся элементов, что особо актуально при фасовании абразив-содержащих продуктов.

- Разработанные конструкции функционируют только благодаря одному приводу, что существенно снижает стоимость дозатора, а отсутствие сложных механизмов передачи позволяет повысить общую надежность и эксплуатационные характеристики системы;

- Разработанные математические модели позволяют применить научнообоснованный подход при проектировании дозаторов, дают возможность обосновать выбор квалитета при изготовлении деталей дозаторов и шероховатость трущихся поверхностей;

- Разработанные конструкции делителей потока позволяют переоснащать болыиеобъемные дозаторы на получение порций малого объема.

Разработанные устройства используются при проведении научно исследовательских и лабораторных работ в Санкт-Петербургском государственном университете низкотемпературных и пищевых технологий. Проведены испытания дозаторов на ряде пищевых продуктов (молоко, вода, водка, кетчупы, майонез, кефир, безалкогольные напитки, горчица), показавшие, что дозаторы с совмещенным приводом могут найти применение в широком ряде отраслей пищевой промышленности.

Результаты работы обсуждались на "Международной научно-практической конференции, посвященной техническому переоснащению пищевой и перерабатывающей промышленности Северо-Западного региона РФ" (26-27 апреля 2000г.); ежегодной международной специализированной выставке "Мороженое и молочные технологии" (28-30 сентября 2000г.); Научно-практическом семинаре "Пищевая промышленность, проблемы и способы их решения" (5-7 июня, 2000г.); выставке достижений городского хозяйства Санкт-Петербурга-2000, Ленэкспо (25-30 мая 2000г.).

По результатам проведенных исследований опубликовано 5 работ.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов и списка литературных источников, включающего 77 наименований.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Общим итогом работы является создание теории дозаторов нового типа: дозаторов с совмещенным приводом распределителя и поршня, которая позволила перейти к их целенаправленному проектированию, наладке и эксплуатации. Конкретные результаты работы формулируются следующим образом.

Определены основные требования, предъявляемые к дозаторам, используемым для фасования пищевых продуктов жидкой консистенции с различной вязкостью.

Разработана модель течений жидкого продукта в каналах дозаторов с кольцевым зазором между поверхностями мерного цилиндра и золотника в различных режимах их работы (наборе порции, вытеснении порции и перерыве в работе) с учетом возможной несоосности деталей дозатора и возникающей при этом неточности дозирования.

Разработанные математические модели позволяют описать течение жидкого продукта в кольцевой щели при наличии эксцентриситета между осями цилиндрических поверхностей, как вдоль образующей, так и в направлении осей цилиндров.

Анализ математических моделей позволил установить конструктивные параметры дозаторов с совмещенным приводом, при которых возможно подтекание продукта с выходного канала дозатора.

Установлена взаимосвязь режимов работы дозаторов с совмещенным приводом с цилиндрическим золотником с их конструктивными параметрами, при которых возможен подсос воздуха во внутренний объем мерного цилиндра в процессе набора порции. Установлено, что явление подсоса возникает только при дозировании жидких маловязких продуктов.

Разработанные математические модели процессов дозирования в дозаторах с цилиндрическим золотником позволяют осуществлять проектирование дозаторов этого типа с учетом процессов, происходящих на всех стадиях дозирования: наборе порции в мерную емкость, вытеснении ее в тару и перерыве в работе дозатора, а также свойств продукта и регламентировать точность изготовления его деталей.

Разработанный новый принцип построения дозаторов позволяет уменьшить их массогабаритные, стоимостные и эксплуатационные характеристики, а также упростить санитарную обработку дозаторов, их сборку и разборку.

Показана возможность увеличения производительности дозатора посредством применения делителя потока. Определены основные требования к изготовлению делителей с различным числом каналов разделения. Для повышения точности разделения рекомендовано симметричное построение каналов делителя. •

Проведенные экспериментальные исследования дозатора с совмещенным приводом и цилиндрическим золотником показали правомерность допущений принятых при разработке математических моделей.

Установлены возможные области применения различных конструктивных вариантов дозаторов с совмещенным приводом и определены их точностные характеристики при дозировании различных пищевых продуктов. Дозаторы с цилиндрическим золотником наиболее всего подходят для продуктов с абразивной составляющей, что позволяет снизить износ деталей. Дозаторы с плоским золотником наиболее всего подходят для продуктов с твердыми включениями (с условием, чтобы размер включений позволял им проходить во входные отверстия дозатора), а также для дозирования спиртсодержащих продуктов.

1. Автомат для расфасовки и упаковки сливочного масла марки АРМ: Каталог. -Вильнюс: Машиностроение, 1973, с.20.

2. Аккерман Р., и др. Свободно программируемые контроллеры. Основной курс. М.: АО Фесто Россия, 1996, - 215с.

3. Артемова E.H. Научные основы пенообразования и эмульгирования в технологии пищевых продуктов с растительными добавками. Автореф.д.т.н. -СПб., 1999,-42с.

4. A.c. 630125 СССР, МКИ В 65 В 9/06. Устройство для упаковки вязких продуктов в полимерную пленку / В.Б. Мацюнас, В.Ю. Паулюс, А.П. Лебядис, В.Ю. Жидонис, А.П. Белжакас (СССР). -№2497989/28-13; Заявл. 17.06.77; Опубл. 1978, Бюл. №40.

5. A.c. 405771 СССР, МКИ В 65 В 9/06, В 65 В 5/02. Автомат для упаковки в пленку сыпучих продуктов / А.Я. Каскин, В.И. Кременский, И.М, Тимошенко (СССР). -№1725837/28-13; Заявл. 17.12.71; Опубл. 1973, Бюл. №45.

6. A.c. 370113 СССР, МКИ В 65 В 9/06. Автомат для изготовления и запечатывания пакетов из термосклеивающегоея материала / А.Д. Камкин (СССР). -№1660387/28-13; Заявл. 24.05.71; Опубл. 1973, Бюл. №11.

7. Батищева Л.В. исследование и разработка технологии молочного десерта «Арония» с использованием нетрадиционного растительного сырья. Автореферат. к.т.н.-Воронеж. -1999. -22с.

8. Брызгалова И.И., Николаев Л.К., Удров A.B. Определение теплофизичееких характеристик фруктово-овощных пюре// Интенсификация процессов пищевых производств, управление, машины и аппараты: Межвуз. сб. науч. тр. -Л.: ЛТЙХП. -1987. -с. 52.

9. Ю.Воларович М.П., Гуткин A.M. К вопросу о течении вязко-пластичных дисперсных систем в зазоре между двумя соосными трубами. //Коллоидный журнал, 1963, t.XXV, с.206.

10. П.Воларович М.П., Гуткин A.M. Течение пластично-вязкого тела между двумя параллельными плоскими стенками и в кольцевом пространстве между двумя коаксиальными трубками. // Журнал технической физики, 1946, t.XVI, вып. 3. с.213.

11. Волков П.Н., Аристов А.И. Ремонтопригодность машин. -М.: Изд-во стандартов, 1971, -72с.

12. Демский А.Б., Пустовалов H.H. Основные пути развития фасовочно-упаковочного оборудования для отраслей пищевой и мясомолочной промышленности. Сб. статей «упаковочные автоматы IV» -Каунас, 1975, с.7-8.

13. Джанколи Д. Физика: В 2-х т. т.1: Пер. с англ. -М.: Мир, -1989. -656с.

14. Дозатор для наполнения кремом трубочек пирожных «эклер». Руководство по эксплуатации. -М.: Министерство машиностроения для легкой и пищевой промышленности и бытовых приборов, 1974, -29с.

15. Ден Г.Н. Введение в термогазодинамику реальных газов: Монография. -СПб.: Издательство СПбГТУ, 1978. -142с.

16. Емцев Б.Т. Техническая гидромеханика: Учебник для вузов по специальности «Гидравлические машины и средства автоматики». —М.: Машиностроение, 1987. -440с.

17. Енохович Л.С. Справочник по физике и технике. -М.: Просвещение, 1289., 224с.

18. Жавнер В.Л., Крамской Э.И. Погрузочные манипуляторы. Под. Ред. проф. А.И. Колчина, —Л.: Машиностроение, 1957, -160с.

19. Жавнер В.Л., Огароетенков И.В. Разработка дозатора с совмещенным приводом распределителей и поршней.// Известия СПбГУНиПТ. 2000. №1, с.105-110.

20. Жидонис В.Ю. Задачи теории конструирования и исследования расфасовочно-упаковочных автоматов, работающих по бестарной схеме, и некоторые результаты решения этих задач. Сб. статей «упаковочные автоматы IV» -Каунас, 1972, с. 6-12.

21. Жирова О. Все для вас, малыши. //Вы и ваш магазин. —М.: Уильям Рид Интернешнл, 1996. № 15, с. 17-22.

22. Захаров В.И. Взаимозаменяемость, качество продукции и контроль в машиностроении. Л.: Лениздат, 1990, - 302с.

23. Зотов С. Автоматы для мелкой фасовки. //Тара и упаковка, 1998, № 2, с.4-7.

24. Зубова Н.Д. Исследование фасовочно-упаковочных машин, упаковочных операций и тары в производстве мороженого. Сб. статей «упаковочные автоматы IV» -Каунас, 1972, е. 31-34.

25. Иашвили Р.Я., Чичинадзе Н.М., Комладзе Г.К., Хапаева O.A. Безотходная переработка несброженных виноградных выжимок// Интенсификация процессов пищевых производств, управление, машины и аппараты: Межвуз. сб. науч. тр. -Л.: ЛТИХП. -1987. с. 79.

26. Камоцци пневматика. Каталог СПб.: Камоцци, 1999, - 15с.

27. Камоцци фитгинги. Каталог. СПб.: Камоцци, 1999, - 7с.

28. Кар пин Е.Б. Расчет и конструирование весоизмерительных механизмов и дозаторов. -М.: Машгиз, 1963, -524с.

29. Карпов В.В, Современные дозаторы и расходомеры для молочной промышленности: Обзорная информация. -М.:АгроНЙЙТЭЙМШ1, 1992.-40с.

30. Кунянский H.A. Автомат для асептической расфасовки жидких и тореобразных продуктов в пакеты из термопластичных материалов. Сб. статей «упаковочные автоматы IV» -Каунас, 1972, с. 64-67.

31. Левенсон Л.Б. Статика и динамика машин (общая теория машин). -М.: ОНТИ НКТП СССР, 1932, -308с.

32. Левшина Е.С., Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин: измерители преобразователи. Л.: Энергоатомиздат, 1983. -320с.

33. Липатов H.H. Процессы и аппараты пищевых производств: Учебник для студентов вузов. М.: Экономика, 1987. -272с.

34. Маршалкин Г.А., Панишев В.Г. Оптимизация технологических процессов и кинематических схем упаковочных автоматов. Сб. статей «упаковочные автоматы IV» -Каунас, 1972. с. 27-30.

35. Маелов A.M. Аппараты для термообработки высоковязких жидкостей. —Л.: Машиностроение, 1980. 206с.

36. Материалы упаковочные термоевариваемые для пищевых продуктов, Руководящий технический материал РТМ 27-72-782-80. -М.: Машиностроение, 1980.

37. Муравин Я.Г. Полимерные и комбинированные пленочные материалы для расфасовки на автоматах продукции консервной и пщцеконцентратной промышленности. Сб. статей «упаковочные автоматы IV» -Каунас, 1972, с. 184-187.

38. Налимов В.В., Голикова Т.Н. Логические основы планирования эксперимента. -М.: Металлургия, 1976, -128с.

39. Новинки пневматики Festo М.: АО Фесто Россия, 1998.46,Оборудованиие для убоя скота, птицы, производства колбасныхизделий и птицепродуктов. Справочник. -М.: Пищевая пром-сть, 1975, 590с.

40. Основы расчета и конструирования машин и аппаратов пищевых производств. Под ред. А.Я. Соколова -М.: Пищепромиздат, 1960, -742с.

41. Панин Г.М., Листовский P.P. Методика расчета процесса вакуум-транспортирования молочных продуктов с использованием ЭВМ// Интенсификация процессов пищевых производств, управление, машины и аппараты: Межвуз. сб. науч. тр. -Л.: ЛТИХП. -1987. с.124.

42. Патент № 3556354 /США/. Дозатор жидкостей, П.В. Трушко. Заявл. 11.05.88. № 4446289, НКИ Опубл. в Б.Й., 1991, № 31.

43. Поновский В.Г., Муравин В.Г. и др. Применение полимерных материалов в консервной промышленности. -М.: Пищепром, 1971. -45с.

44. Посокина Н.Е. Совершенствование технологии консервирования овощных соусов, кетчупов и приправ. Автореф.к.т.н. -М., -1999. -23с.

45. Примеры расчетов по гидравлике. Под ред. А.Д. Альтшуля, —М.: Стройиздат, 1976, -255с.

46. Проблемы технологичности конструкций изделий машиностроения (материалы Всесоюзной научно-технической конференции). Под ред. Ю.Д. Амирова и В. Л. Михельсона-Ткача. ~М.: Издательство стандартов, 1976, -144с.

47. Романова A.B. Разработка технологи сметаны для детского и диетического питания. Автореф. дисс. к.т.н. -Улан-Удэ, 1999. -17с.

48. Романков П.Г., Курочкина И.К. Гидромеханические процессы химической технологии. -Л.: Химия, 1982, 288с.

49. Сапожников М.Ю. Дозирующие устройства. -М.: Пищепромиздат, 1959. -88с.

50. Сомов Ю.С., Федоров М.В. Потребительские качества промышленных изделий. -М.: Издательство стандартов, 1968, -218с.

51. Старостенков И.В. Исследование движения вязкой жидкости в кольцевых зазорах распределителей.// Известия СПбГУНиПТ. 2000. Jfel.c. 115-120.

52. Тарг С.М. Основные задачи теории ламинарных течений. —М.-Л.:ГИТТЛ 1951,-420с.

53. Тепловые и конструктивные расчеты холодильных машин. Под. ред. Кошкина H.H. -Л.: Машиностроение (Ленингр. Отд-ние), 1976, 464с.

54. А. Терехова, Я. Муравин, Л. Козина, А. Соколов. Упаковка пищевых продуктов в модифицированной газовой среде. //Тара и упаковка, 1998, № 2, с.24-26.

55. Технология дозирования жидкостей. //Упаковка, материалы, оборудование.—СПб.: ВИАМ, 2000.— № 1. с.4.

56. Трофимова Т.И. Курс физики. -М.: Высшая школа, -1984. 544с.

57. Уплотнения и уплотнительная техника: Справочник / Л.А.Кондаков, А.И. Голубев, В.В. Гордеев и др.; Под общ. Ред. А.И. Голубева, Л.А. Кондакова. 2-е изд., перераб. доп. - М.: Машиностроение, 1994. -448с.

58. Фильчакова С. А. Разработка технологии получения биомассы кефирных грибков с целью использования в производстве кисломолочных продуктов. Автореф. дисс. .к.т.н. -М, -1999. -21с.

59. Фрейдин С., Губерниев В. Выбор оптимальных параметров групповой тары. //Тара и упаковка, 1998, №1, с. 22-24.

60. Цейтлин Г.Е. Сетевые методы циклограммирования упаковочных автоматов. Сб. статей «упаковочные автоматы IV» -Каунас, 1972, с. 22-24.

61. Чернышев А. Высокоскоростное оборудование для дозирования вязких и полувязких продуктов.// Оборудование, упаковка, ингредиенты. —СПб.: Контракт, 1999. —№1. -с. 211.

62. ШенкХ. Теория инженерного эксперимента. -М.: Мир, 1972. -382с.

63. Шнейдер Ю.Г. Образование регулярных микрорельефов на деталях и их эксплуатационные свойства. -Л.: Машиностроение, 1972, -240с.

64. Шувалов В.Н. Машины-автоматы и поточные линии пищевой промышленности. -М.,Л.: Машиностроение, —1966. 482с.

65. Festo pneumatic: Главный каталог -М.: АО Фесто Россия, 1997.

66. Festo iimovations. Germany, Esslingen: Festo KG. 1998.

67. Festo cybernetic. Germany, Esslingen: Festo KG. 1998.

68. SMC Pneumatik. Japan. Tokyo, 1998, 556c.

69. Quick Star Die Steckverschraubungs-Reihe: Neue Produkte. Germany, Esslingen: Festo KG. 1996.

70. Werner Deppert, Kurt Stoll. Pneumatics in Packaging. -Wurzburg.:Vogel-Buchverlag, 1983, 207c.